圖像處理在等離子體物理中的實際應用

1、圖像處理在等離子體物理中的應用摘要Sobel算子、Roberts算子、閾值分割法被應用于托卡馬克放電期間彈丸消融圖像的分割實驗研究。實驗研究表明分水嶺分割算法得的圖像與原始圖像疊加獲得了良好的計算結果為研究等離子體物理中的彈丸消融機制提供了有力數(shù)據(jù)和證據(jù).關鍵詞：等離子體；彈丸消融；圖像分割；邊緣檢測；分水嶺分割；SobeloperatRobertsoperatThresholdSegmentationareusedtoreserchi

2、magesofpelletablationcloudduringdisge.TheexpeimentalresearchresultsshowthatWatershedsegmentationAlgithmfImageThresholdingwasanExcellentmethodtoreserchplasmavisibleimage.medatawereprovidedinpelletablationexperiment。Abstra

3、ct：Plasmapellet；ablation；ImageSegmentation；EdgeDetection；Watershedsegmentation1.引言隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展對于能源需求的加大以及我國加入ITER計劃進行開發(fā)研究我國加大力度研究核聚變在聚變的反應研究中聚變?nèi)剂系难a充是核聚變反應研究所面臨的一個首要解決的重要問題近年來在大型托卡馬克裝置上的實驗證明了彈丸注入是解決這一問題的重要手段但是彈丸在其消融過程中與等離子

4、體相互作用的物理機制非常復雜已成為聚變研究中的重大課題之一。本文采用高速CCD拍攝機并實時記錄彈丸加料實驗中彈丸消融云的圖像數(shù)據(jù)通過對彈丸消融云的數(shù)字圖像進行研究繼而研究彈丸消融過程與等離子體的相互作用的物理機制和提取極向場信息研究等離子體磁流體穩(wěn)定性。本文所采用圖像分割技術將為彈丸注入實驗進行兩個方面的研究提供理論依據(jù)一是由彈丸消融速度和軌跡研究彈丸與等離子體相互作用的物理機制；二是由彈丸消融云的演變提取彈丸在飛越等離子體過程中的極向

5、場信息推算托卡馬克物理實驗中非常重要物理參數(shù)等離子體電流分布。研究彈丸跨越有理磁面過程消融云圖像的演變直接獲取到關于磁流體穩(wěn)定性的信息特別是在q=1磁面內(nèi)外極向場的變化的實驗數(shù)據(jù)進行磁流體穩(wěn)定性理論研究。數(shù)字圖像處理在該領域扮演著舉足輕重的作用。圖像分割是將圖像中有意義的特征部分提取出來有意義的特征有圖像中的邊緣和區(qū)域等這是進一步進行圖像識別、理解和分析的基礎。雖然目前已研究出不少區(qū)域分割、邊緣提取的方法但是還沒有一種普遍適用于所有圖像

6、的有效方法。在等離子物理方面圖像分割也擁有著其重要的作用國際熱核聚變堆(ITER)的芯部加料問題是一個熱點問題。我們在本文中將要介紹關于某些新型的靶丸注入方式和最佳的芯部加料的最佳工作方式。在HL2A上我們已經(jīng)對5種氫同位素組合的固態(tài)靶丸T2DTD2HDH2進行了相關的數(shù)字模擬。他們的模型對ITER作了數(shù)值計算模擬并且設計了參數(shù)。但由于靶丸消融過程非常的短暫所以不容易分析極向場故而對于這一過程采用CCD進行圖像信息采集通過圖像分割將靶丸

7、消融時產(chǎn)生的彈丸消融云從圖像中分割出來進而分析彈丸消融的梭型云從而提取彈丸運行軌跡進而進行極向場的進一步確定。2.圖像分割算法圖像分割算法從整體上可分為兩大類即基于區(qū)域跟蹤的算法和基于邊緣檢測的算法。對圖像分割算法的選擇和確定需要根據(jù)不同的分割目的和目標圖像與相關的一些特點綜合運用各種圖像分割算法和技術相101202101?????????????121000121?????????????圖1Sobel算子2.2.2.Roberts算

8、子Roberts算子是一種利用差分算子來進行邊緣尋找的局部的算子[2]算子由下式給出：(3)22()[()(11)][(1)(1)]gxyfxyfxyfxyfxy????????其中和分別是4個鄰域的坐標并且是輸入具有整數(shù)像素坐()(1)(1)fxyfxyfxy??、、(11)fxy??標的圖像其中平方根運算使得該處理類似于人類視覺系統(tǒng)中發(fā)生的過程。Roberts算子是濾波算子模22?板。Roberts算子是由圖2所示的2個卷積核形成的

9、。圖像中的每一個點都使用這2個核來做相應的卷積。1001???????0110???????圖2Roberts算子2.2.3.Canny算子Canny算子是一個高斯一階算子[3]。其方法的實質(zhì)是利用1個準高斯函數(shù)對圖像做相應的濾波平滑運算即然后再利用帶方向的一階微分算子來進行導數(shù)最大值的定位。經(jīng)過高斯平滑后的圖()()sffxyGxy??像函數(shù)的梯度可以使用一個的一階有限差分來近似：()sfxy22?(4)[]([1]()[11][1]

10、)2ssssPijfijfijfijfij????????(5)[]([](1)[1][11])2ssssQijfijfijfijfij????????在這個的矩陣內(nèi)求這個有限差分的均值以便于在數(shù)字圖像中的同一點分別計算x和y的偏導數(shù)梯度。22?幅值和方向角都可利用直角坐標到極坐標的坐標轉(zhuǎn)化關系來進行相關計算：(6)22[][][]MijPijQij??(7)[]arctan([][])ijQijPij??反映了該圖像的邊緣信息強度；反

11、映了圖像邊緣的方向。使得的方向角在局[]Mij[]ij?[]Mij[]ij?部取得最大值這樣就反映了數(shù)字圖像邊緣的方向。Canny算子也可用高斯函數(shù)的一階導數(shù)來進行近似這個也在理論上這很接近4個相關指數(shù)函數(shù)的線性組合所形成的最佳邊緣算子。2.3.基于區(qū)域跟蹤的圖像分割方法基于區(qū)域跟蹤的算法是將像素按照某種特征的連續(xù)性或相似性歸于不同的區(qū)域之中但在相鄰區(qū)域間具有不同的相對均勻性。包括各種的區(qū)域增長技術區(qū)域的分裂與合并技術?，F(xiàn)簡要的介紹其中